È un gioco comune in piscina:forza una palla galleggiante sott'acqua e lasciala andare. La palla balza in superficie e salta in aria. Ma, immergere la palla più in profondità sott'acqua e l'effetto è spesso deludente. Contrariamente alla nostra intuizione, l'aumento della profondità di rilascio porta spesso a una diminuzione dell'altezza del pop-up.

Questa semplice domanda sulla dinamica dei fluidi ha lasciato perplessi i fisici per decenni, ma un nuovo studio pubblicato il 1 novembre in Fluidi per la revisione fisica , offre una nuova prospettiva sul fenomeno e può chiarire argomenti relativi alle dinamiche di uscita dell'acqua e all'ingegneria oceanica.

Un team di ricercatori della Utah State University, Il Dartmouth College e la Brigham Young University hanno utilizzato l'imaging ad alta velocità e la velocimetria dell'immagine delle particelle per descrivere il motivo per cui le sfere galleggianti che salgono attraverso un fluido non si comportano sempre come ci aspettiamo.

"L'altezza del pop-up dipende dalla velocità della sfera nel punto in cui supera la superficie libera, " ha detto il capo ricercatore e assistente professore di ingegneria meccanica presso l'USU, Tadd Truscott. "Non importa quanto sia profonda la palla quando viene rilasciata. Ci sono una serie di fattori che influenzano la sua velocità e traiettoria fino a quando non raggiunge la superficie".

Durante la salita, strutture di scia e vortice si formano spesso intorno alla sfera. Lo spargimento di vortici asimmetrici e le formazioni di scia possono alterare il movimento verso l'alto di una sfera e provocare una traiettoria non lineare. Gli autori dimostrano che le sfere ascendenti di solito rientrano in una delle due categorie di accelerazione:1) un regime verticale, o 2) un regime oscillatorio.

"Il regime verticale mostra una traiettoria subacquea quasi verticale e si traduce in altezze pop-up più grandi, " spiega Brenden Epps, assistente professore di ingegneria a Dartmouth e coautore dello studio. "Il regime oscillatorio mostra una traiettoria con movimenti laterali periodici e si traduce in altezze di pop-up inferiori. A volte la palla può persino violare la superficie e sfiorarla piuttosto che sollevarsi in aria".

Per testare il comportamento della sfera ascendente, i ricercatori hanno immerso le sfere di acciaio inossidabile in un serbatoio di prova a varie profondità e le hanno tenute in posizione utilizzando una ventosa collegata a un meccanismo di rilascio del vuoto. Dopo un tempo di attesa sufficiente per consentire all'acqua di diventare quiescente, la ventosa ha rilasciato la sfera mentre quattro telecamere ad alta velocità sincronizzate hanno registrato la sua ascesa.

In totale, Sono stati eseguiti 664 test utilizzando quattro sfere di diverso diametro e profondità di rilascio. Come previsto, le altezze massime di pop-up si sono verificate quando le sfere sono state rilasciate da profondità ridotte. Le altezze di pop-up più basse si sono verificate quando le sfere sono state rilasciate da profondità maggiori.

Ma la conversazione non finisce qui. Parte del problema dell'altezza del pop-up dipende anche da ciò che accade alla sfera nel punto di rottura della superficie.

"Una volta che la sfera ripulisce la superficie, l'unica forza che agisce su di esso è la gravità, " Ha aggiunto Truscott. "Quindi l'altezza del pop-up è determinata da un trasferimento di energia cinetica all'energia potenziale della sfera dopo aver ripulito la superficie. Però, la velocità (e quindi l'energia cinetica) della sfera dopo che ha superato la superficie è dettata sia dalla velocità con cui si avvicina alla superficie (impostata dalla dinamica subacquea) sia dalla variazione di velocità durante la violazione."

Gli autori affermano che il loro studio ha una vasta gamma di applicazioni. Una migliore comprensione delle dinamiche di uscita dell'acqua, spiegano, può essere utile nell'ingegneria marittima e nella biologia marina.

"I pinguini escono dall'acqua dopo una caccia o per evitare i predatori, " scrivono. "È stato ipotizzato che i pinguini imperatori utilizzino le bolle rilasciate dalle loro piume durante la salita al fine di ridurre la resistenza e aumentare la velocità di uscita e l'altezza del pop-up. ... Altre importanti applicazioni dell'effetto pop-up includono l'uscita di veicoli subacquei, strutture marine galleggianti e convertitori di energia delle onde".